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新能源電解水制氫技術(shù)經(jīng)濟性分析
發(fā)布時(shí)間：
2023-08-16 10:06
1 新能源電解水制氫是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎
氫能在廣泛應用于交通、煉鋼、化工、電力、供熱等領(lǐng)域時(shí)，制氫是各種氫能源應用途徑的根基，而電解水制氫技術(shù)又是構建電氫能源結構助力新能源實(shí)現大規模轉化利用最重要的方式，各國都將清潔氫視為清潔能源轉型與碳中和的重要路徑。
目前根據制取方式和碳排放量的不同將氫能主要分為灰氫、藍氫和綠氫3種：①以化石燃料（包括煤炭、天然氣等）為原料制氫以及工業(yè)副產(chǎn)制氫，這類(lèi)制備方式是目前技術(shù)最成熟的制氫路線(xiàn)，但存在制取過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生碳排放的問(wèn)題，因此制取的氫氣被稱(chēng)為“灰氫”；②在灰氫制取的過(guò)程中輔以碳捕捉技術(shù)所得到的“藍氫”，這種制氫方法可有效減少制氫過(guò)程中的碳排放，但仍無(wú)法完全解決碳排放問(wèn)題；③電解水制備得到的“綠氫”，以這種方法制氫不會(huì )產(chǎn)生任何碳排放，但目前綠氫制取的技術(shù)不如化石燃料制氫成熟，綠氫成本較高。
國際上，歐洲將電解水制氫作為實(shí)現氫能戰略最為核心的技術(shù)途徑，歐盟委員會(huì )通過(guò)《氣候中性的歐洲氫能戰略》，提出到2024年將安裝600萬(wàn)kW的電解設施以具備100萬(wàn)t綠氫制備能力；到2030年將安裝4000萬(wàn)kW的電解設施，以具備1000萬(wàn)t綠氫制備能力。美國能源部推出“能源地球”計劃，以加速氫能創(chuàng )新，增加清潔氫能需求，并計劃將清潔氫能的成本降低80%，至1美元/kg。國內以傳統高碳產(chǎn)業(yè)為主的地區，綠氫布局也是十分積極，建設新能源制綠氫項目的數量不斷增多。比如，內蒙古以氫能重卡應用為突破口，開(kāi)展風(fēng)光制氫一體化示范項目，將綠氫重點(diǎn)應用于重卡汽車(chē)、煉化、煤化工等領(lǐng)域。
然而，化石能源制氫為目前主流制氫技術(shù)，具有規模大、成本低，但二氧化碳排放高；新能源電解水制氫是真正意義上零碳排放的制氫方式，但綠氫成本高是制約氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。為此，本文基于影響電解水制氫成本的核心要素對制氫成本進(jìn)行了剖析，并與煤制氫進(jìn)行了對比分析，為綠氫降本提供了可供參考的路徑。
2 堿性電解水制氫成本影響因素分析
目前，綠氫成本總體偏高，全產(chǎn)業(yè)鏈規模效應尚未顯現，商業(yè)化條件仍顯“不夠”，嚴重制約著(zhù)氫能產(chǎn)業(yè)可持續、大規模發(fā)展。堿性電解水制氫技術(shù)目前發(fā)展的最為成熟，具有槽體結構簡(jiǎn)單、安全可靠、運行壽命長(cháng)、操作簡(jiǎn)便、售價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，是市場(chǎng)上主要的電解制氫方式，得到了廣泛的應用。
一般制氫成本分為固定成本和可變成本，固定成本包括設備折舊、人工、運維等，可變成本包括制氫過(guò)程的電耗和水耗。由此可以推導出堿性電解槽制氫成本計算公式，即制氫成本=[電價(jià)×單位電耗+水價(jià)×單位水耗]+[(折舊攤銷(xiāo)利息+工資及福利+修理費+其他費用（其他制造費用、其他管理費用、其他銷(xiāo)售費用）)/制氫總量]+銷(xiāo)售稅金及附加+所得稅。
為此，本研究通過(guò)對典型的新能源堿性電解水制綠氫項目分析，發(fā)現包括電價(jià)、系統規模、設備投資、電解效率、運行小時(shí)數和管理質(zhì)量提升在內6個(gè)變量，是影響綠氫成本最為核心的因素。通過(guò)這些變量對綠氫項目成本的影響分析，提出綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展的降本潛力重點(diǎn)方向，以期為提升綠氫項目的競爭力找到發(fā)力點(diǎn)。
（1）新能源電價(jià)對綠氫項目的影響分析
制氫成本方面，電價(jià)影響最顯著(zhù)。本文以某5000Nm3/h的光伏制氫項目為例，全過(guò)程制氫電耗5.4kWh/Nm3（對應制氫效率55%），來(lái)探索新能源電價(jià)對綠氫項目的敏感性分析。項目的成本費用分為以電耗為主的可變成本、經(jīng)營(yíng)成本、總成本等，具體情況如表1所示。電價(jià)占制氫成本的比重見(jiàn)圖1。
表1 新能源電價(jià)對制氫成本的影響分析
圖1 電價(jià)占制氫成本的比重
從圖1可以看出，隨著(zhù)電價(jià)的上升，電價(jià)占制氫成本的比例是不斷增加的。在電價(jià)大于0.20元/kWh時(shí)，電價(jià)占制氫成本的比例超過(guò)50%，且隨著(zhù)電價(jià)的增加，電價(jià)占制氫成本的比例將快速增長(cháng)；在電價(jià)低于0.20元/kWh時(shí)，制氫過(guò)程的經(jīng)營(yíng)成本、固定資產(chǎn)折舊及相關(guān)財務(wù)費用占比較大；當電價(jià)為0時(shí)，經(jīng)營(yíng)成本與固定資產(chǎn)折舊/利息接近，制氫成本也達到了11.88元/kg H2。以0.2元/kWh為基準，當電價(jià)下浮50%時(shí)，制氫成本下降24.4%。
當光伏度電成本降到0.20元/kWh以下，低于絕大部分煤電價(jià)格。此時(shí)，在其他條件都不變的情況下，新能源制氫全成本仍需21.76元/kg，仍將高于其他化石能源制氫成本，其綠色低碳的屬性沒(méi)有得到體現。目前來(lái)看，降低電價(jià)是制氫降本的重要途徑，除一些政策支持外，在不同場(chǎng)景、不同地區采取不同的方式也是非常重要的，在新能源豐富的地區采用離網(wǎng)規?；茪淇赡苁且粋€(gè)非常理想的降低電價(jià)選擇。
（2）規模效應對綠氫項目的影響分析
制氫規模是降低單位投資造價(jià)水平的關(guān)鍵，根據對3個(gè)不同等級項目的梳理，選取單套設備工程費用作為1個(gè)評價(jià)指標，單套工程費占總投資的3/4，是能反應整體項目投資造價(jià)水平的。如圖2所示，當設備達15套以上時(shí)，單套設備工程費（設備、建安和土建）趨于平緩，為1200萬(wàn)元/套；當5套時(shí)，單套工程費就上升到2000萬(wàn)元/套；當只有1~2套時(shí)，上升到3000萬(wàn)~3500萬(wàn)元/套。
圖2 規模效應對單套制氫工程費用的影響
不同規模的制氫成本構成詳見(jiàn)表2。由表2可以看出，隨著(zhù)臺套數的增加，制氫成本有所下降；當從5臺套增加到15臺套，單臺套的工程費用下降了40%，但制氫成本僅僅下降7.1%。且隨著(zhù)臺套數的增加，單臺套的工程費用基本持平，由此帶來(lái)的制氫成本下降潛力有限。
表2 不同規模的制氫成本構成（元/kg）
（3）設備投資對綠氫項目的影響分析
目前，1000Nm3/h電解槽（包括氣液分離器）設備費用在800萬(wàn)~900萬(wàn)元/臺；單套制氫設備的費用在1000萬(wàn)~1300萬(wàn)元，電解槽占制氫設備費用的比例為2/3左右；制氫工程費約占總投資的2/3。隨著(zhù)臺套數的增加，設備及安裝費占工程費用的比例逐漸增大，如圖3所示。
圖3 不同規模下制氫設備安裝費占工程費的比例
隨著(zhù)電解槽制造規模進(jìn)一步擴大，設備成本將繼續下降。但由于堿性電解槽工藝技術(shù)已經(jīng)十分成熟，很難通過(guò)技術(shù)革新降低成本。根據預測，未來(lái)10年通過(guò)技術(shù)改進(jìn)和規模擴張，可以降本40%，1000Nm3/h電解槽成本會(huì )降至500萬(wàn)元，屆時(shí)制氫成本將下降5%～10%。
（4）效率對綠氫項目的影響分析
從熱力學(xué)角度出發(fā)，根據電解水反應方程 Gibbs 自由能與可逆電位的關(guān)系和法拉第定律，可計算理論上單位體積電解水制氫耗電為2.95 kWh/Nm3，即33kWh/kg。目前大多數電解槽直流側的電耗是4.3~4.6kWh/Nm3，制氫系統總的電耗為5~5.5kWh/Nm3。2022年3月，澳大利亞公司Hysata新型“毛細管供電電解槽”可將能源成本降至41.5kWh/kg，打破了能效紀錄，折算到直流側的電耗為3.7kWh/Nm3，技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)了制氫能耗的大幅下降。從圖4可以看出，當制氫效率由60%提升至70%，制氫總成本可以下降8.2%。
圖4 制氫效率對制氫總成本的影響
（5）設備利用率對綠氫項目的影響分析
對達到一定規模效應（15000Nm3/h及以上）的制氫項目，在假定電價(jià)不變（0.15kWh）及制氫效率不變（5.36kWh/Nm3）的情況下，分析單位質(zhì)量制氫全成本隨著(zhù)設備利用率（運行小時(shí)數）的變化情況，如圖5所示。分析發(fā)現，可變成本與耗電量和制氫效率、耗水量及銷(xiāo)售費用相關(guān)，折算成單位制氫成本后，其可變成本是不變的。但是隨著(zhù)設備利用率的提升，固定成本（工資福利、維修費等）和折舊攤銷(xiāo)利息會(huì )隨著(zhù)產(chǎn)量的提升，單位制氫成本是下降的。
圖5 設備利用率對單位制氫成本的影響
（6）管理質(zhì)量提升對綠氫項目的影響分析
隨著(zhù)建設項目的增多，管理質(zhì)量將得到提升，相應的工資、維修、管理、制造等費用也將下降，由此也能使得制氫總成本下降。在保持項目其他費用不變的情況下，當由于管理質(zhì)量提升帶來(lái)的費用（維修費、其他管理費、其他制造費、人員工資等等）下降50%，制氫總成本可以下降10%。詳見(jiàn)表3。
表3 固定成本下降對制氫成本的影響
（7）綠氫成本影響因素結果分析綜上所述，當前可以有效降低電解水制氫的路徑主要就是電價(jià)降低和設備利用率升高，如圖6所示。隨著(zhù)電價(jià)的降低，電解制氫成本也隨之降低，同時(shí)電力成本的占比也同步降低。電力成本每下降0.1元/kWh，氫氣成本平均下降5.96元/kg。另隨著(zhù)電解槽每年工作時(shí)間的延長(cháng)，由于單位氫氣固定成本的降低，制氫成本隨之下降，從2000h提升至8000h后，單位氫氣成本平均降低30%以上。
圖6 不同條件下制氫成本與設備利用率的關(guān)系
3 不同技術(shù)路線(xiàn)制氫成本的對比分析
3.1 煤制氫與天然氣制氫成本分析
由于我國資源的稟賦特征，目前氫氣的來(lái)源主要是煤氣化制氫和工業(yè)副產(chǎn)氣制氫。煤氣化是指在高溫常壓或高溫高壓下，煤與水蒸氣或氧氣（空氣）反應轉化為以氫氣和CO為主的合成氣，再將CO經(jīng)水氣變換反應得到氫氣和CO2的過(guò)程。煤氣化制氫工藝成熟，目前已實(shí)現大規模工業(yè)化。傳統煤制氫采用固定床、流化床、氣流床等工藝，碳排放較高。根據CO變換反應的特征，生成1kg氫氣，將額外產(chǎn)生22kgCO2，是天然氣重整制氫碳排放水平的2倍。結合氫能產(chǎn)業(yè)當前的現狀，下面將重點(diǎn)對煤制氫、煤制氫+CCS或碳稅、天然氣制氫、新能源制氫進(jìn)行對比分析。
獨立制氫裝置規模以90000Nm3/h為測算基準，對煤制氫和天然氣制氫2種工藝路線(xiàn)進(jìn)行比較。計算結果如表4所示。
表4 煤制氫和天然氣制氫成本分析
（1）煤制氫成本主要由煤炭、氧氣、燃料動(dòng)力能耗和投資折舊構成，當煤價(jià)為450元/t時(shí)，煤炭費用比例約占37%；空氣分離裝置氧氣成本約占26%；煤制氫固定資產(chǎn)投入大，相應的折舊及利息成為重要的成本影響因素，約占23%；燃料動(dòng)力費用占8%，其他占6%。隨著(zhù)煤炭?jì)r(jià)格的增長(cháng)，煤炭占比也逐步提高，當煤價(jià)達到1000元/t時(shí)，煤制氫中煤炭費用占比達到60%。（2）天然氣制氫成本主要是由天然氣費用決定，在天然氣價(jià)格為2.5元/Nm3時(shí)，天然氣費用占比達到73%，其次是燃料動(dòng)力能耗和固定資產(chǎn)折舊，占比22%，其他占比5%。天然氣價(jià)格是決定制氫價(jià)格的重要因素，考慮到中國“富煤、缺油、少氣”的資源稟賦特點(diǎn)，天然氣依賴(lài)進(jìn)口，因此從化石原料制氫分析比較，煤制氫優(yōu)于天然氣制氫。
（3）為控制氫氣制取環(huán)節的碳排放，煤制氫需結合碳捕集與封存(CCS)技術(shù)。根據《中國碳捕集利用與封存技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖(2019版)》規劃，當前國內CCS成本在0.35~0.40元/kgCO2，2030年和2050年有望分別控制在0.21元/kgCO2和0.15元/kgCO2。結合煤制氫路線(xiàn)二氧化碳排放濃度高，CCS成本暫按照200元/t（當前）和150元/t（未來(lái)）進(jìn)行考慮。具體的測算結果如圖7所示。從圖7可以看出，在當前1000元/t的煤炭?jì)r(jià)格下，煤制氫的成本已經(jīng)達到了15元/kg,如果考慮200元/t的CCS成本，煤制氫的成本將達到19.4元/kg。
圖7 煤制氫成本分析
3.2 電解水制氫成本與煤制氫成本分析
依據前文論述，電解水制氫的成本如表5所示。在當前的投資水平下，電解水制氫在不同電價(jià)和利用小時(shí)數的前提下，對應的制氫成本在分別為12.11元/kg和26.67元/kg之間。
表5 電解水制氫的成本（元/kg）
目前，煤價(jià)按1000元/t來(lái)考慮，煤制氫的成本15元/kg，煤制氫+碳價(jià)（50元/t）的成本是16.10元/kg，煤制氫+CCS（200元/t）的成本是19.4元/kg。當前，新能源電價(jià)為0.25元/kWh時(shí)，電解水制氫成本21.05~26.67元/kg之間，仍高于煤制氫+CCS的成本；當新能源電價(jià)下降到0.20元/kWh時(shí)，電解水制氫成本在18.07~23.69元/kg之間，低于煤制氫+CCS的成本；當新能源電價(jià)下降到0.15元/kWh時(shí)，電解水制氫成本在15.09~20.71元/kg之間，低于煤制氫+碳價(jià)的成本；當新能源電價(jià)下降到0.10元/kWh時(shí)，電解水制氫成本在12.11~17.72元/kg之間，低于煤制氫的成本。由此可見(jiàn)，在不同的條件下，隨著(zhù)碳中和目標的實(shí)施，“綠氫”的生產(chǎn)成本將接近甚至低于“灰氫”。
4 結論
電解水是“綠氫”生產(chǎn)的主要途徑，是氫能發(fā)展的必要技術(shù)，是實(shí)現“雙碳”目標的重要支柱，而電解槽是電解制氫的核心設備。通過(guò)對目前市場(chǎng)上主流的堿性電解槽制氫成本的分析，目前電解制氫的成本仍然高于化石能源制氫，沒(méi)有經(jīng)濟優(yōu)勢。未來(lái)降本空間主要在于降低電價(jià)，增加電解槽的工作時(shí)間以攤薄折舊和其他固定成本，通過(guò)技術(shù)進(jìn)步和規?；a(chǎn)降低電解槽的投資成本等。
隨著(zhù)“雙碳”政策的不斷推進(jìn)和深化，新能源(尤其是光伏、風(fēng)電等)電力成本的降低，氫能應用市場(chǎng)的逐漸成熟，市場(chǎng)對氫氣的需求將呈爆發(fā)式增長(cháng)，雖然傳統的化石原料所生產(chǎn)的“灰氫”在中短期內仍將占據市場(chǎng)主流，但通過(guò)“綠色”電力來(lái)電解水制氫將是未來(lái)低碳經(jīng)濟的主流方向，具有減碳屬性，有利于碳中和戰略目標的實(shí)現。“綠氫”成本也必將隨著(zhù)氫能的推廣和技術(shù)的進(jìn)步下降到可接受的水平，電解水會(huì )成為氫氣的主要來(lái)源。
來(lái)源：佳安氫源
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